고형종 치료 분야에서 CAR-T 요법의 연구 진전

연구 배경

키메라 항원 수용체 T 세포 (Chimeric antigen receptor T cell, CAR-T) 요법은 유전자 변형 기술을 통해 특이성 항원 인식 도메인 및 T 세포 활성화 신호를 가진 유전 물질을 T 세포로 옮기는 것을 말합니다. T 세포가 종양 세포 표면의 특정 항원을 인식할 수 있도록 하고 다양한 면역 인자를 방출하여 종양 세포를 사멸시켜 종양 치료 목적을 달성할 수 있도록 합니다.

최근 몇 년 동안 CAR-T 요법 관련 연구가 빠르게 발전하고 있으며, 혈액계 종양에서 CAR-T 요법의 탁월한 효능을 바탕으로 과학자들은 이 혁신적인 면역 요법이 고형 종양 분야에 조속히 적용될 것으로 기대하고 있으며, 고형 종양 항원 표적에 대한 CAR-T 요법의 임상 시험은 계속되고 있습니다. ClinicalTrials.gov 에 따르면 2022 년 4 월 현재 1800 개의 세포 임상 실험이 진행 중이며 작년보다 33% 증가했다. 이 중 실체종에 대한 임상실험은 43%, 작년보다 44%, 혈액종양 증가율 (작년보다 25% 증가) 을 초과했다. 이는 CAR-T 요법이 실체종 치료 분야로 빠르게 발전하고 있다는 것을 의미한다.

CAR-T 치료에서 흔히 볼 수 있는 고형종 표적

최근 몇 년 동안 다양한 고형 종양 항원을 표적으로 하는 CAR-T에 대한 연구가 점차 증가하기 시작하여 상당수의 연구가 초기 임상 시험 단계에 진입했습니다.

예를 들어, 신경모세포종에서 ganglioside 2 를 표적으로 하는 CAR-T 치료는 상당한 효과를 달성했습니다.glypican-3 을 표적으로 하는 CAR-T 세포는 간세포암(Hepatocellular carcinoma，HCC) 치료에 좋은 결과를 얻었습니다. 표피성장인자수용체(human epidermal growth factor receptor-2，HER2)는 위암, 췌장암 등 다양한 종양조직에서 과발현되며, 이 표적에 맞게 설계된 CAR-T 세포는 말기 담도암(malignant tumor of biliary tract)과 췌장암을 어느 정도 치료할 수 있다.

메소텔린(mesothelin, MSLN)도 면역 요법의 인기 있는 연구 표적으로, 앵커 체인 막 표면에 당단백질은 다양한 종양에서 고도로 발현되며 종양 증식, 침습 및 나쁜 예후와 밀접한 관련이 있습니다. MSLN을 표적으로 하는 CAR-T 세포의 임상 1상 시험 결과 치료를 받는 췌장암 환자가 상당한 효과를 거둔 것으로 나타났습니다.

밀착 접합 단백질(Claudin 18.2, CLDN 18.2)은 위암 및 기타 암 유형의 잠재적인 치료 표적으로 간주되는 위 특이적 막 단백질입니다. CAR-T 세포 기반 수용체 티로신 키나아제 유사 고아 수용체 1 (receptor tyrosine kinase-like orphan receptor 1, ROR1)은 폐암에서 특이적으로 발현되고 종양 증식, 전이 및 약물 내성에 중요한 역할을 하는 잠재적인 폐암 치료 표적이 되는 것으로 보고되었습니다.

그에 더해, 연구가들은 폐암, 결장암, 위암, 유방암, 췌장암을 치료하는 암 배아 항원 (carcinoembryonic antigen, CEA), 악성 흉막간피종(pleuralmesothelioma) 치료를 위한 섬유아세포 활성화 단백질(fibroblast activation protein, FAP)과 전립선암 치료에 사용되는 전립선특이막항원(Prostate-specific membrane antigen, PSMA) 등이 있다.

고형종 치료에 CAR-T 요법의 적용에 대한 도전

1. 특이성이 부족한 종양 항원

종양 세포에 대한 CAR-T 세포의 사멸 효과는 주로 종양 관련 항원(tumor associated antigen, TAA)의 인식에 의존하며, 이러한 항원은 종종 종양 세포 표면에서 과발현되지만 다른 정상 조직 세포에서도 어느 정도 발현됩니다. CAR-T 세포는 종양 세포를 제거하는 동시에 정상 조직 세포를 잘못 공격할 수도 있는, 즉 표적 외 효과(off-target effects). 결과적으로 비종양 세포를 죽이는 심각한 부작용이 발생하여 CAR-T 요법이 기대한 치료 효과를 얻지 못합니다.

2. CAR-T 세포의 homing 및 침윤

혈액 종양에 비해 CAR-T 세포는 혈액 시스템을 통해 고형 종양 조직을 관통하기 어렵습니다. 한편, 고형종은 T세포의 수송을 방해하여 면역 탈출을 할 수 있다. 반면에, 케모카인-케모카인 수용체가 잘못 배합되었기 때문에 접착 분자의 하향 조절 및 종양 새로운 순환기관 시스템(circulatory system)의 이상과 같은 원인으로 인해 CAR-T 세포가 둥지(Homing)로 정확하게 돌아가기 어렵습니다. 또한, 고형종의 또 다른 특징은 기질 세포(stromal cell)에 많은 수의 종양 관련 섬유아세포가 포함되어 있다는 것입니다. 이 세포는 콜라겐을 분비하여 CAR-T 세포의 침윤을 포획하고 방지하며 사멸 활성을 약화시키는 물리적 장벽으로 조밀한 섬유증 기질을 형성합니다.

3. 면역억제성 종양미세환경

종양 미세환경(tumor microenvironment，TME)은 암세포가 성장을 촉진하도록 재설계된 미세환경으로 저산소, 저영양, 낮은pH, 높은 침투 특성을 가지고 있습니다. 이 환경은 종양의 증식을 촉진할 수 있지만 CAR-T 세포의 생존에 매우 도움이 되지 않습니다. 또한 TME에는 종양 관련 대식세포(Tumor-associated macrophages, TAM), 조절 T세포(Regulatory Tcells, Tregs), 골수유래 억제세포(myeloid-derived suppressor cells, MDSC) 등 다양한 면역 억제세포가 포함되어 있어 다양한 경로를 통해 CAR-T 세포를 억제하고 사멸 효과를 현저히 감소시킵니다.

CAR-T 세포 치료 최적화 전략

이러한 도전에 대처하기 위해 연구자들은 많은 준비와 미래 지향적인 작업을 수행했습니다.주요 대응책은 다음과 같다.

1. CAR의 구조를 바꾸다

예를 들어, CAR-T 세포가 종양의 미세 환경 특성을 변화시킬 수 있는 염증성 사이토카인(proinflammatory cytokines)을 동시에 발현하도록 하는 동시에 체내에서 이러한 인자의 지속적인 발현을 방지하고 독성을 유발하기 위해 CAR-T 세포가 표적과 결합한 후 사이토카인의 발현을 유도하도록 설계되어 사이토카인의 역할을 종양 근처로 제한합니다. 억제성 CAR 분자의 발현, 이중 표적 활성화, scFv 친화도 향상과 같은 다른 전략은 CAR-T 세포의 특이성을 변화시켜 항종양 활성 및 안전성을 최적화합니다.

2. 타겟 유전자 편집 유전자 녹아웃 기술 활용

타겟 유전자 편집 녹아웃 기술을 사용하면 종양 미세 환경에 대한 CAR-T 세포의 민감도를 줄일 수 있습니다. Tmunity 는 유전자 편집을 이용하여 T 세포의 내인성 T 세포 수용체 (T cell receptor, TCR) 와 PD-1 수용체를 제거했습니다. 그런 다음 뉴욕 식도 편평 세포암 1(New Yorkesophageal squamous cell carcinoma 1, NY-ESO-1) 항원을 표적으로 하는 TCR을 발현하여 CAR-T 세포를 고형종 부위에 보다 효과적으로 도달시켜 종양 미세 환경에서 CAR-T 세포의 종양 제거 효과를 향상시킵니다.

3. 합동치료

BioNTech은 리포솜(liposome)을 사용하여 CLDN6 mRNA를 인코딩하는 백신을 전달하며, 체내에 주입한 후 비장, 림프절 등의 항원 제시 세포(Antigen-presenting cells, APCs)가 CLDN6 항원을 표면에 제시할 수 있다. 이러한 APC는 CLDN6 CAR-T 세포의 증식을 촉진할 수 있습니다. 또한 면역관문억제제 PD-1과 병용투여를 통해 고형종에 대한 CAR-T 요법의 치료효과도 향상되었다.

고형종 분야에서 새로운 CAR-T 요법의 임상 연구

최고의 의학 저널인 Nature Medicine에 발표된 최신 연구에서 CAR-T의 아버지인 Carl June 팀이 개발한 새로운 CAR-T 치료법도 고형종 치료에 희망을 주었습니다. 고형종 전이성 거세저항성 전립선암(metastatic castration-resistant prostate cancer, mCRPC)의 미세환경에는 형질전환 성장인자 β(transforming growth factor-β, TGF-β)와 같은 다양한 높은 수준의 억제인자가 존재하여 CAR-T 세포의 효능을 현저히 감소시킬 수 있습니다. 이 연구팀은 유전자 편집 수단을 통해 PSMA 를 목표로 CAR-T 세포의 관련 수용체를 비활성화시켰다. 따라서 TGF-β 신호 전달을 차단하여 TGF-β의 억제 효과에 저항하고 CAR-T 세포의 항종양 능력을 향상시킵니다.

이 치료법은 초기 동물 실험에서 좋은 치료 효과를 거둔 기초 위에서 I 기 임상 실험을 진행했다. 그 결과 치료를 받은 13명의 mCRPC 환자 중 CAR-T 세포가 체내에서 증폭되어 지속될 수 있었고 종양 조직에 유의하게 농축된 것으로 나타났다. 효능 평가 측면에서 13명의 환자 중 4명은 전립선 특이적 항원(Prostate specific antigen, PSA)이 30% 이상 감소했습니다(그림 1-a). 또한 CT 평가에 따르면 5 명의 환자 (38.5%) 가 3 개월간의 영상 평가에서 질병 안정을 유지했으며, 그 중 한 환자는 세포 치료 후 종양이 가라앉았다는 증거를 관찰했다. 그 PSA 는 세포 주입 후 36% 감소했다 (그림 1-b).

그림 1 CART-PSMA-TGFβRDN 세포 치료 후 병리 및 방사선학 평가 [1]

이 연구는 또한 첫 번째 CAR-T 치료 실체종의 임상 연구로, PSMA 를 겨냥한 항 TGF-베타 CAR-T 세포 요법이 mCRPC 를 치료하는 실체종의 실현가능성과 안전성을 입증해 CAR-T 요법이 고형 종양을 공격하는 길에 큰 동력과 자신감을 제공했다.

결론

CAR-T 요법은 고형종 치료에 여전히 많은 어려움이 있지만 과학자들의 노력과 탐구는 멈추지 않습니다. 종양 미세 환경과 CAR-T의 항종양 효과에 영향을 미치는 요인에 대한 연구가 증가하고 있으며, 다제병용요법(combination therapy)의 시도와 함께 CAR-T 요법이 고형종 분야에서 더 많은 가능성을 볼 수 있을 것이라고 믿습니다.

참고 문헌

[1]Narayan V, Barber-Rotenberg JS, Jung IY, et al. PSMA-targeting TGFβ-insensitive armored CAR T cells in metastatic castration-resistant prostate cancer: a phase 1 trial [published online ahead of print, 2022 Mar 21]. Nat Med. 2022;10.1038/s41591-022-01726-1.